[发明专利]用于控制电解池的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制铝生产的电解池的方法和装置。本发明应用一种非线性模型预测控制系统(NMPC)，其中过程的模型被应用于预测该过程的将来行为。此外，估算器函数被用于根据历史数据产生目前时间的过程数据的估值。

本发明的优点在于人们能够控制电解池使过程变化减少。由此能够操作电解池更接近操作目标和过程极限，以及获得向周围更低的排放兼有稳定的及更有效的生产。

背景技术

把NMPC应用于控制工业过程例如是从炼油工业知道的，炼油工业中这种类型的控制已经被广泛应用。

但是，由申请人进行的研究没有揭示非线性MPC(NMPC)在冶金工业中的应用。我们从(F.J.Stevens McFadden，JOM，2006年2月)看到，举出作为替代被研究控制模式的是线性MPC，该控制模式是用来在基于以输入输出数据标识的模型的铝电解池中控制非氧化铝电解质变量。MPC和NMPC之间的重要差别在于，MPC使用线性模型，而NMPC使用非线性模型。从理论的观点看，使用非线性模型是把控制问题从凸QP(二次规划)改变为非凸非线性规划(NLP)，其解的获得要难得多。当求解非凸NLP时，要找到全面的优化是没有保证的。这就表明NMPC控制器的调节可能十分困难，模型不符合时尤其如此。

EP 0211 924公开一种用于生产铝的控制向还原池供应氧化铝的方法。那里采用有参数估算和基于分离定理的控制器计算的自适应控制。作为过程模型，是用有两个输入和一个输出的线性模型。

US专利4,814,050是现有技术线性控制器的代表，该线性控制器包含采用两组方程式的估算器的使用，该两组方程式即，包含池中的氧化铝质量平衡动态模型并提供氧化铝浓度估算的时间更新算法，和使用来自池的过程反馈变量来修改氧化铝估值的测量算法。

由于非线性过程特征、耦合质量和能量平衡及少量的测量，控制氧化铝还原过程正在面临挑战。

虽然Al₂O₃的控制被认为“已解决”，但在最近10到15年中文献的讨论已经关心槽温度和AlF₃的控制。对这些论文都共有的是AlF₃的添加作为与目标酸度和/或目标槽温度的偏差的函数而被计算。

在铝业界中众所周知的是，由于炉帮厚度的变化，AlF₃的添加和槽温度两者都对酸度有影响。槽温度和酸度之间的关系被称为槽温度-酸度相关性，或简称相关线。

发明内容

按照本发明，一种(数学)模型代表铝电解池的理论表示。本发明中的建模方法是根据第一原理。这意味着描述过程的模型是根据描述热及质量转移关系和基本物理性质关系的物理学的基本理解。利用第一原理建模通常取非线性差分方程式的形式，从而导致非线性模型。通过使用来自化学和热力学的理论(第一原理)，池的质量和能量平衡是按这样的方式描述的，使选定的一组过程变量的时间行为和它们之间的关系能够被确定(或被估算)。选定的被模型化的过程变量组一般是，这里举出最重要的几个：炉帮(side ledge)厚度、液体槽和金属的质量、AlF₃的浓度和质量、Al₂O₃的浓度和质量、熔渣(sludge)的质量、槽温度、阴极温度、各种热流、槽及金属高度和假电阻。

模型代表理想化的框架，也会由于模型的不确定性而在一定程度上偏离物理过程。为了使模型在非理想的框架中工作，使用被称为卡尔曼滤波的估算技术。

卡尔曼滤波器状态估算器如同从US专利6757579的建议了解到的那样。

用于铝还原池的卡尔曼滤波器状态估算可从下面的文章了解“Estimation of states in aluminium reduction cells applying extendedkalman filtering algorithms together with a nonlinear dynamic modeland discrete measurements”T.K.Vee，E.Gran(Light Metals 1976，pp.275-286)。

通过使用卡尔曼滤波技术，模型不确定性根据过程变量(所有过程变量的一个子集)的测量和过程输入中的可用信息而被调整。这些测量通常都是假电阻、槽温度、阴极温度、液体槽及金属高度和AlF₃的浓度。过程输入通常是线电流、添加的质量、阳极移动和事件(阳极效应、金属排出(tap)、液体槽排出/添加、阳极改变)。